1 Elementy i układy elektroniczneMCD032001W

2 LITERATURA: – Marciniak W. „Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone ”, Warszawa, WNT, 1987 – Polowczyk M., Klugmann E. „Przyrządy półprzewodnikowe”, Gdańsk, Wyd. PG, 2001 – Polowczyk M. „Elementy i przyrządy półprzewodnikowe powszechnego zastosowania”, Warszawa, WKŁ, 1986 – Świt A., Pułtorak J. „Przyrządy półprzewodnikowe”, Warszawa, WNT, 1979 – TietzeU., Schenk Ch. „Układy półprzewodnikowe”, Warszawa ,WNT, 2009 – Koprowski J. „Podstawowe przyrządy półprzewodnikowe”, Kraków, Wyd. AGH, 2009

3 [0] – Cheming Calvin Hu, Półprzewodniki[0] – Cheming Calvin Hu, Półprzewodniki. Nowoczesne rozwiązania w układach scalonych, Helion 2016, ISBN: [1] – S. Kuta, Elementy i układy elektroniczne, AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo- Techniczne, Kraków, 2000, cz. I [2] – S. Kuta, Elementy i układy elektroniczne, AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo- Techniczne, Kraków, 2000, cz. II [3] Horowitz P., Hill W.: Sztuka elektroniki, Cz.1-2, Warszawa, WKŁ, 2009.

4 dr inż. Marek Panek, ul.Długa 61 bud.M4 p.113 tel. 71 320 4992 Warunki zaliczenia Uzyskanie pozytywnej oceny z kolokwium zaliczające- go lub kolokwium poprawkowego Kolokwia odbędą się w podziale na dwie grupy w ter-minie i miejscu wykładu w dwu ostatnich tygodniach semestru JEDYNE pisemne kolokwium poprawkowe odbę-dzie się w OSTATNIM tygodniu semestru w terminie i miejscu wykładu. Poza udokumentowanymi wypadkami losowymi nie przewiduje się innego trybu zaliczenia przedmiotu.

5 Terminy kolokwiów: - zaliczające: - poprawkowe Szczegółowe informacje em

6 Materiały do pierwszej części niniejszego wykładu oparte są w dużej mierze na pokazie slajdów dr hab. inż. Pawła Jabłońskiego, prof. Politechniki Częstochowskiej (za Jego zezwoleniem), a treść sygnowanych przezroczy przytaczana w postaci oryginalnej.

7 © dr hab. Inż. Paweł JabłońskiNa tym wykładzie Cel: określenie prądu elektrycznego i wielkości go opisujących: natężenia, gęstości, napięcia. Zakres: Oznaczenia wielkości fizycznych i ich jednostek, Ładunki elektryczne, Prąd elektryczny, jego natężenie, określenie ampera, Pole elektryczne, jego natężenie, Praca w polu elektrycznym, Napięcie elektryczne, określenie wolta, Moc prądu elektrycznego. © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński

8 Oznaczenia wielkości fizycznych1 Zagadnienia wstępne Oznaczenia wielkości fizycznych Wielkości fizyczne rozpatrywane jako funkcje czasu t oznacza się zazwyczaj małymi literami, np. napięcie u(t) lub krótko u, natężenie prądu i(t) lub krótko i, ładunek elektryczny q(t) lub krótko q. Wielkości fizyczne stałe w czasie oznacza się zwykle dużymi literami, np. napięcie stałe w czasie U, natężenie prądu stałe w czasie I. © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński

9 Wielkości skalarne i wektoroweZagadnienia wstępne Wielkości skalarne i wektorowe Wielkości wektorowe czyli takie, które mają zarówno wartość jak i kierunek, oznacza się zazwyczaj pismem półgrubym, np. siła F, natężenie pola elektrycznego E, Długość (wartość) wielkości wektorowej oznacza się pismem zwykłym, np.. wartość siły F piszemy jako |F| lub F, wartość natężenia pola elektrycznego E piszemy |E| lub E. Większość wielkości związanych z tymi wykładami to wielkości skalarne. © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński

10 Jednostki wielkości fizycznychZagadnienia wstępne Jednostki wielkości fizycznych Każda wielkość fizyczna ma wartość liczbową wyrażoną w pewnych jednostkach, np. 5 s, 2 kg, 10 A. Stosuje się układ jednostek SI. Jednostki zapisujemy pismem prostym. Wielkość liczbową danej wielkości fizycznej należy podawać zawsze wraz z jednostką, np. 5 A, 5 mA, 5 kA (samo „5” nie wskazuje jednostki). © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński

11

12

13

14 Przebiegi czasowe wielkości fizycznychZagadnienia wstępne Przebiegi czasowe wielkości fizycznych Wartości wielkości fizycznych mogą zmieniać się wraz z upływem czasu. Zmienność taką nazywamy przebiegiem czasowym danej wielkości. Pewnego rodzaju podział wielkości pokazuje następny slajd. Dalsze wykłady dotyczyć będą prądów stałych i sinusoidalnych, a także niektórych przypadków innych prądów. © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński

15 Klasyfikacja przebiegów czasowychZagadnienia wstępne Klasyfikacja przebiegów czasowych Przebiegi czasowe Stałe (DC) Zmienne Okresowe Przemienne Sinusoidalne (AC) Niesinusoidalne Tętniące Nieokresowe Odkształcone

16

17 © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński2 Ładunki Ładunki elektryczne Doświadczalnie stwierdzono istnienie dwóch rodzajów ładunków elektrycznych, które umownie przyjęto nazywać dodatnimi oraz ujemnymi. Nośnikami ładunku ujemnego są elektrony. Nośnikami ładunku dodatniego są protony. Jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb (1 C) od nazwiska Coulomb. Ładunek elektryczny oznaczamy q lub Q (dla ładunku stałego) © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński

18 Cechy ładunku elektrycznegoŁadunki Cechy ładunku elektrycznego Istnieją tylko dwa rodzaje ładunków (dodatnie i ujemne). Ładunki różnoimienne przyciągają się wzajemnie, a ładunki jednoimienne – odpychają się (prawo Coulomba, o nim nieco później). Struktura ładunku jest kwantowa, tzn. występuje on w najmniejszych niepodzielnych porcjach równych e lub −e, gdzie e = 1,602∙10−19 C. Elektron i proton mają ładunek równy odpowiednio –e oraz e. Suma algebraiczna ładunków w odosobnionym układzie jest stała (prawo zachowania ładunku). © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński

19

20 © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński3 Prąd i jego natężenie Prąd elektryczny Ładunki elektryczne mogą pozostawać w spoczynku lub poruszać się. Poruszające się ładunki tworzą prąd elektryczny. Chociaż każdy ruch ładunków to prąd elektryczny, to w teorii obwodów prądem elektrycznym nazywamy uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Niezbyt precyzyjnie (ale poprawnie) mówimy, że prąd elektryczny płynie (powinno się mówić, że „istnieje”). © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński

21 Natężenie prądu elektrycznegoS t Rozpatrzmy pewną powierzchnię S, przez którą w czasie Δt przepływa ładunek elektryczny Δq. Natężeniem prądu elektrycznego nazywamy granicę ilorazu Δq/Δt, gdy czas Δt dąży do zera Natężenie prądu jest pochodną ładunku po czasie. t+Δt Δq

22 © dr hab. Inż. Paweł JabłońskiPrąd Natężenie prądu elektrycznego S t Rozpatrzmy pewną powierzchnię S, przez którą w czasie Δt przepływa ładunek elektryczny Δq. Natężeniem prądu elektrycznego nazywamy granicę ilorazu Δq/Δt, gdy czas Δt dąży do zera Natężenie prądu jest pochodną ładunku po czasie. t+Δt Δq © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński

23 © dr hab. Inż. Paweł JabłońskiPraca i moc Moc prądu elektrycznego Moc prądu stałego o natężeniu I oddawana między punktami, między którymi panuje napięcie U, wynosi Gdy zwroty strzałek napięcia U i prądu I są zgodne, obliczoną wartość uważamy za moc wydawaną do obwodu, w przeciwnym razie – za moc pobieraną z obwodu. Obliczona wartość może być ujemna – wtedy moc pobierana staje się faktycznie mocą oddawaną i na odwrót. © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński

24 Natężenie prądu elektrycznego – c.d.W przypadku jednostajnego przepływu ładunku Q w każdej jednostce czasu t mamy prąd stały o natężeniu Zamiast natężenie prądu używa się często skrótowo określenia prąd (termin „prąd” ma zatem dwa znaczenia: określa zjawisko fizyczne polegające na ruchu ładunków oraz określa jego intensywność). Natężenie prądu mierzy się za pomocą amperomierza

25 © dr hab. Inż. Paweł JabłońskiDefinicja ampera Prąd Jednostką natężenia prądu jest amper (1 A). Amper jest natężeniem prądu stałego, który płynąc w dwóch równoległych przewodach nieskończenie długich o przekroju znikomo małym, umieszczonych w odległości jednego metra jeden od drugiego w próżni, wywołuje między tymi przewodami siłę 2∙10−7 N na każdy metr długości przewodu. 1 A 2∙10−7 N próżnia 1 m © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński

26

27 © dr hab. Inż. Paweł JabłońskiPrąd Związek między amperem i kulombem Z analizy jednostek wzoru na natężenie prądu wynika Stąd określenie jednego kulomba Jako jednostek ładunku używa się też 1 Ah (amperogodzina), np. do określenia pojemności akumulatora © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński

28 © dr hab. Inż. Paweł JabłońskiPrąd Obliczyć ładunek elektryczny Q, który przepłynął przez żarówkę w czasie t = 2 godzin, jeżeli natężenie prądu wynosiło I = 180 mA. Jak długo trzeba ładować prądem I = 5 A akumulator o pojemności Q = 48 Ah? © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński

29 Rodzaje prądu elektrycznegoW zależności od podłoża fizycznego, rozróżnia się Prąd przewodzenia – występuje w przewodnikach (metalach, elektrolitach) wskutek obecności swobodnych ładunków elektrycznych. Prąd przesunięcia – występuje w izolatorach i polega na niewielkim przesuwaniu się elektronów względem jąder, jonów względem siebie w siatce krystalicznej lub obracaniu się cząsteczek związków polarnych (np. wody). Występuje np. w kondensatorze. Prąd unoszenia (konwekcyjny) – występuje w środowisku nieprzewodzącym, gdy ładunek unoszony jest wraz z drobinami materii (np. z kurzem, ziarnami piasku itp.) © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński

30 Strzałka prądu elektrycznegoNatężeniu prądu przypisuje się pewien zwrot, zgodny ze zwrotem ruchu ładunków dodatnich. Zwrot ten symbolizuje się na schematach za pomocą strzałki. Dla dodatnich wartości natężenia prądu strzałka prądu wskazuje kierunek ruchu ładunków dodatnich. W przewodach elektrycznych poruszają się elektrony, tzn. faktycznie poruszają się one przeciwnie do strzałki prądu. I = 2 A I = −2 A I = −2 A I = 2 A © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński

31 Gęstość prądu elektrycznegoGęstością prądu nazywamy wielkość wektorową, której wartość równa się ilorazowi natężenia prądu do pola powierzchni przekroju poprzecznego prostopadłego do kierunku ruchu ładunków: Zwrot wektora gęstości prądu J jest taki, jak zwrot strzałki prądu. Jednostką gęstości prądu jest A/m2, ale w praktyce wygodniej jest używać A/mm2. S t I J

32 © dr hab. Inż. Paweł JabłońskiPrąd Gęstość prądu elektrycznego Gęstością prądu nazywamy wielkość wektorową, której wartość równa się ilorazowi natężenia prądu do pola powierzchni przekroju poprzecznego prostopadłego do kierunku ruchu ładunków: Zwrot wektora gęstości prądu J jest taki, jak zwrot strzałki prądu. Jednostką gęstości prądu jest A/m2, ale w praktyce wygodniej jest używać A/mm2. S t I J © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński

33 Natężenie prądu a gęstość prąduNatężenie prądu określa wypadkową ilość ładunku przenoszoną przez daną powierzchnię w jednostce czasu. Gęstość prądu określa natomiast przestrzenny rozkład prądu na danej powierzchni. W przypadku prądu stałego przyjmuje się, że gęstość prądu jest równomierna na całym przekroju przewodu. Maksymalna dopuszczalna gęstość prądu dla danego przewodu nazywana jest jego obciążalnością prądową. © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński

34 © dr hab. Inż. Paweł JabłońskiPrąd Przykład – obciążalność prądowa Przewód kołowy o promieniu r = 0,7 mm ma obciążalność prądową J = 9,33 A/mm2. Jaki maksymalny prąd może nim płynąć? © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński

35 © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński4 Pole elektryczne Prawo Coulomba Ładunki jednoimienne odpychają się, a różnoimienne przyciągają się. Siłę oddziaływania między ładunkami elektrycznymi określa prawo Coulomba: Q1 i Q2 – wartości ładunków, r – odległość między ładunkami, ε – tzw. przenikalność elektryczna środowiska, w którym znajdują się ładunki; dla próżni i powietrza ε0 ≈ 8,85∙10−12 H/m (henra na metr). r Q1 Q2 F r Q1 Q2 F r Q1 Q2 F © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński

36 © dr hab. Inż. Paweł JabłońskiPole elektryczne Pole elektryczne W przypadku większej liczby ładunków siła działająca na poszczególne ładunki jest wypadkową wektorową sił pomiędzy poszczególnymi parami ładunków. Oddziaływanie między ładunkami tłumaczy się istnieniem pola elektrycznego. Polem elektrycznym nazywamy taki stan przestrzeni, w którym na nieruchome ładunki elektryczne działa siła. Każdy ładunek elektryczny wytwarza wokół siebie pole elektryczne. © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński

37 Natężenie pola elektrycznegoPole elektryczne Natężenie pola elektrycznego Natężeniem pola elektrycznego E w danym punkcie przestrzeni nazywamy wielkość wektorową, równą stosunkowi siły F działającej na znikomo mały ładunek dodatni q umieszczony w tym punkcie do wartości tego ładunku Zwrot natężenia pola elektrycznego jest zgodny ze zwrotem siły. Jednostką natężenia pola elektrycznego jest V/m (wolt na metr), czyli N/C (niuton na kulomb).

38 Pole elektryczne równomierneJeżeli w każdym punkcie pewnego obszaru wektor natężenia pola E ma taką samą wartość i zwrot, to pole elektryczne nazywamy równomiernym. Pole takie występuje w przewodach elektrycznych wiodących prąd stały, a także w przybliżeniu w kondensatorze płaskim (o tym dalej na wykładach). © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński

39 Ładunek w polu elektrycznym5 Napięcie i potencjał elektryczny Ładunek w polu elektrycznym Na ładunek q umieszczony w polu elektrycznym E działa siła Siła ta próbuje przesunąć ładunek i jeżeli nie jest on unieruchomiony przez inne siły (np. w atomach i cząsteczkach przez siły elektrostatyczne lub w jądrach przez siły atomowe), będzie się poruszać.

40 Przesuwanie ładunku w p. elektrycznymNapięcie Przesuwanie ładunku w p. elektrycznym Jeżeli pole elektryczne jest równomierne, to praca WAB wykonana podczas przesuwania ładunku q o odcinek lAB równoległy do wektora E wynosi Jeżeli ładunek przesuwany jest zgodnie z zwrotem wektora E, to pracę wykonuje pole elektryczne. Jeżeli ładunek jest przesuwany przeciwnie do zwrotu wektora E, to pracę wykonuje czynnik zewnętrzny (np. my) przeciwko siłom pola elektrycznego. lAB q A B E

41 F = q E

42 © dr hab. Inż. Paweł JabłońskiNapięcie elektryczne Napięciem elektrycznym pomiędzy punktami A i B nazywamy iloraz pracy WAB wykonanej przez siły pola elektrycznego podczas przenoszenia ładunku q do tego wartości tego ładunku q Napięcie jest wielkością skalarną. Napięcie mierzy się za pomocą woltomierza. © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński

43 © dr hab. Inż. Paweł JabłońskiNapięcie Jednostka napięcia elektrycznego Jednostką napięcia elektrycznego jest wolt (1 V). Pomiędzy dwoma punktami A i B występuje napięcie jednego wolta, jeżeli praca potrzebna do przeniesienia ładunku równego jednemu kulombowi (1 C) wynosi jeden dżul (1 J). Z powyższego wynika, że © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński

44 Potencjał elektrycznyNapięcie Potencjał elektryczny Potencjałem elektrycznym V punktu A nazywamy napięcie między tym punktem a punktem umieszczonym w nieskończoności Potencjał elektryczny danego punktu wyraża zdolność (łac. potentia) pola elektrycznego do wykonania pracy przy przesuwaniu dodatniego ładunku 1 C z tego punktu do nieskończoności. W praktyce zamiast nieskończoności stosuje się powierzchnię ziemi (grunt), któremu przypisuje się potencjał równy zeru.

45 Napięcie jako różnica potencjałówPracę wykonaną przy przesuwaniu ładunku q z punktu A przez punkt B do nieskończoności można wyrazić jako Dzieląc przez ładunek q, otrzymujemy Stąd napięcie elektryczne pomiędzy punktami A i B można wyrazić jako różnicę potencjałów tych punktów.

46 © dr hab. Inż. Paweł JabłońskiNapięcie Strzałka napięcia VA = 5 V VB = 2 V UAB = 3 V Napięcie zaznacza się często za pomocą strzałki. Dla dodatnich wartości napięcia grot strzałki napięcia wskazuje wyższy potencjał. W związku z powyższym napięcie na odbiornikach energii strzałkuje się zwykle przeciwnie do strzałki prądu. VA = 5 V VB = 2 V UBA = −3 V I U © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński

47

48 © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński6 Praca i moc prądu stałego Prąd elektryczny i praca Przeniesienie ładunku Q z punktu A do punktu B, pomiędzy którymi panuje napięcie UAB, wymaga wykonania pracy (dostarczenia energii) Przy prądzie stałym Q = It, stąd Jednostką pracy jest dżul (1 J), ale często stosuje się kWh, zwłaszcza w rozliczeniach energetycznych © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński

49 © dr hab. Inż. Paweł JabłońskiPraca i moc Przykład – napięcie, prąd i praca Obliczyć pracę wykonaną podczas przepływu prądu o natężeniu I = 10 A przez t = 2 minuty pomiędzy punktami o potencjałach VA = 20 V i VB = 8 V. © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński

50 © dr hab. Inż. Paweł JabłońskiPraca i moc Moc Moc p jest to granica ilorazu pracy ΔW wykonanej w czasie Δt do tego czasu, gdy czas ten dąży do zera Jednostką mocy jest wat (1 W). Jeżeli w każdej jednostce czasu t wykonywana jest jednakowa praca W, to moc jest stała i wynosi © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński

51 Moc prądu elektrycznegoPraca i moc Moc prądu elektrycznego Moc prądu stałego o natężeniu I oddawana między punktami, między którymi panuje napięcie U, wynosi Gdy zwroty strzałek napięcia U i prądu I są zgodne, obliczoną wartość uważamy za moc wydawaną do obwodu, w przeciwnym razie – za moc pobieraną z obwodu. Obliczona wartość może być ujemna – wtedy moc pobierana staje się faktycznie mocą oddawaną i na odwrót.

52 © dr hab. Inż. Paweł JabłońskiPraca i moc Moc prądu elektrycznego Moc prądu stałego o natężeniu I oddawana między punktami, między którymi panuje napięcie U, wynosi Gdy zwroty strzałek napięcia U i prądu I są zgodne, obliczoną wartość uważamy za moc wydawaną do obwodu, w przeciwnym razie – za moc pobieraną z obwodu. Obliczona wartość może być ujemna – wtedy moc pobierana staje się faktycznie mocą oddawaną i na odwrót. © dr hab. Inż. Paweł Jabłoński

53 Praca i moc Przykład – moc Jaki prąd płynie w żarówce samochodowej o mocy 55 W zasilanej napięciem z akumulatora (12 V)? Jaką moc oddaje bateria 1,5 V, jeżeli płynie przez nią prąd 20 mA?

54 @ dr hab. Inż. Paweł JabłońskiPodsumowanie Czego się nauczyliśmy? Co to jest prąd elektryczny, jego natężenie i gęstość, Co to jest napięcie elektryczne, potencjał elektryczny i różnica potencjałów, Jaka praca wykonywana jest podczas przemieszczania ładunku elektrycznego w polu elektrycznym (czyli ile energii potrzeba dostarczyć lub ile energii się wyzwala), Jak oblicza się moc prądu elektrycznego. @ dr hab. Inż. Paweł Jabłoński